一种衍射光波导装置和增强现实显示设备的制作方法

本技术涉及光学系统的，尤其是涉及一种衍射光波导装置和增强现实显示设备。

背景技术：

1、在增强现实的光学系统方案中，衍射光波导方案由于其轻薄和环境光可透过性被广泛运用于消费级增强现实显示设备中，并被认为是最优的可行方案之一。然而，现有的增强现实显示设备需要将显示光机的光扩大到一定面积，使得通过衍射光波导进入人眼的光线有足够的覆盖范围，这导致了光源能量的分散，即经过扩大后的光线单点亮度较低。此外，对于使用衍射光波导方案的增强现实显示设备来说，由于从显示光机耦入进光波导片的光线在耦出光栅处会产生朝向人眼反方向的衍射光线，无法被人眼获取与接收，进而导致光的传播效率较低，同时会导致用户隐私泄露的问题。

2、为满足增强现实显示设备对环境光可见的要求，目前较为常见的解决方案是，相对于耦入耦出光栅，在光波导片的另一侧涂覆膜系，该膜系对可见光具有增强透过的效果，由此在进行显示器光波导的同时，实现对环境光的高透过特性。但该技术方案并未对非人眼方向的光线进行再收集和再利用，对提升增强现实显示设备的显示效率没有帮助。

3、对于采用lcos、dlp、micro led等作为显示光机提供光源的情况，由于这类光源提供的是一系列光谱较宽的光线，而不是来自单个离散的光谱线，现有的衍射光波导结构仍有来自显示光机的超出中心波长范围的光线无法被收集，导致光线能量损失的同时，用户隐私也无法保证，限制了衍射光波导和各类显示光机之间的组合应用，有待改进。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种衍射光波导装置，其具有便于调控光线、提高光线传播效率、满足环境光可视性、提高显示效率、保护用户隐私的目的。

2、本发明的第二个目的在于提供一种增强现实显示设备，适用于衍射光波导装置与各类显示光机之间的组合应用。

3、为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：

4、一种衍射光波导装置，包括光波导片、设置于所述光波导片上的耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅用于将入射的光线耦入所述光波导片、并将光线在所述光波导片内传播，所述耦出光栅用于接收所述光波导片内传播的光线、并将光线耦出所述光波导片，还包括若干个窄带高反模块，这些窄带高反模块分别布置于所述耦入光栅背离入射光线的一侧、和/或所述耦出光栅背离耦出光线的一侧。

5、进一步地，所述衍射光波导装置还包括窄带高通模块，所述窄带高通模块布置于所述耦入光栅的入射光线路径上。

6、具体地，在本实用新型的衍射光波导装置中，“窄带高通模块”的具体含义是指能在预定波长范围内、针对若干个中心波长产生窄带高透效果的结构，非限定地例如可为多层薄膜阵列结构、超表面结构或其他能实现窄带高透效果的结构；

7、“窄带高反模块”的具体含义是指能在预定波长范围内、针对若干个中心波长产生窄带高反效果的结构，非限定地例如可为多层薄膜阵列结构、超表面结构或其他能实现窄带高反效果的结构。

8、更具体地，所述窄带高通模块和窄带高反模块各自独立地包括沿着厚度方向交错地排列并层叠设置的多个第一膜层和多个第二膜层，所述第一膜层和第二膜层的膜材料之间存在折射率差。其中，上述窄带高通模块和窄带高反模块除第一膜层和第二膜层外，还可以包含更多有利于实现窄带高透、窄带高反的效果的材料和/或结构，且第一膜层和第二膜层可以利用原子层沉积技术、磁控溅射技术、电子束蒸镀、化学气相沉积等方法制成。

9、通过采用上述技术方案，可预先将窄带高通模块安装于显示光机和耦入光栅之间、或者基于某个载体集成在显示光机的内、外部，从而在光线入射过程中，无论是使用lbs、光纤扫描等光谱带宽窄的显示光机，还是使用lcos、dlp、micro led等出射光谱较宽的显示光机，在其出射的光线入射到耦入光栅的过程中，均能利用窄带高通模块窄带高通的特性，将入射光线的光谱带宽减小，使得只有在中心波长附近的窄光谱范围的光线能够进入光波导片，进而在中心波长附近实现20nm以下的带宽，在保证入射光线的大部分能量、提高入射光线单色性的同时，限制耦入光波导片的光线的光谱范围，以便结合下述窄带高反模块，更好地在光波导过程进行光线调控，完全收集与利用来自显示光机耦入进入光波导片的光线，使其不被传输至人眼的反方向，有效提高显示效率，更好地保护用户隐私；

10、在光波导过程中，除被耦入光栅耦入至光波导片内的光线、以及被耦出光栅朝向人眼方向耦出光波导片的光线外，耦入光栅还会产生朝向入射方向反方向的衍射光线，且耦出光栅处还会产生朝向人眼反方向的衍射光线，无法被光波导片和人眼获取与接收，通过在耦入光栅附近、耦出光栅附近、或者耦入光栅和耦出光栅附近选择性地安装窄带高反模块，可利用窄带高反模块对于耦入光波导片的光线具有高反射率、而其他可见光波长下具有高透过率的特性，能将这部分光线反射回耦入光栅和/或耦出光栅，以在满足环境光可视性的同时，收集并利用被传输到入射光线和人眼反方向的光线，提高衍射光波导装置的显示效率，同时保护隐私；

11、综上所述，通过窄带高通模块对入射光线进行窄带滤波，在不损失大部分光线能量的同时实现中心波长附近的光线筛选，并辅以窄带高反模块将耦入光栅和耦出光栅上部分被传输到非入射光线和非人眼方向的光线反射回耦入光栅和耦出光栅，且不影响环境光的透过，具有便于调控光线、提高光线传播效率、满足环境光可视性、提高显示效率的目的，在保证成像质量的同时，适用于衍射光波导装置与各类显示光机之间的组合应用。

12、更进一步地，所述窄带高通模块和窄带高反模块各自独立地包括沿着厚度方向交错地排列并层叠设置的多个三氧化二铝膜层和多个二氧化钛膜层。其中，第一膜层和第二膜层对应分别为三氧化二铝膜层和二氧化钛膜层，由此组合得到的效果较佳，同样的，第一膜层和第二膜层也可以分别由其他无机材料、有机材料、或有机-无机材料组成，非限定地例如可为聚合物膜、高分子膜、陶瓷膜、金属膜、金属氧化物膜、非金属膜、合金膜、高分子金属络合物膜、分子筛复合膜、沸石膜和玻璃膜等膜材料中的一种或几种的组合物。

13、最进一步地，所述窄带高通模块和窄带高反模块各自独立地包括沿着厚度方向交错地排列并层叠设置的10~200个三氧化二铝膜层和10~200个二氧化钛膜层。窄带高通模块能配合窄带高反模块，更好地在光波导过程进行光线调控，在光线中心波长为485nm、550nm、620nm下，完全收集与利用来自显示光机耦入进入光波导片的光线，使其不被传输至人眼的反方向，有效提高显示效率，更好地保护用户隐私；另外，三氧化二铝膜层和二氧化钛膜层的层数各自独立地为10、15、20、25、30、35、40、45、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190或200个。

14、最进一步地，所述窄带高通模块和窄带高反模块的总厚度分别为22.00~80.00μm，其中，这些三氧化二铝膜层的单层厚度为2.00nm~21.00μm、层积厚度为20.00~45.00μm，这些二氧化钛膜层的单层厚度为1.00nm~10.00μm、层积厚度为2.00~35.00μm。上述窄带高通模块和窄带高反模块能分别在光线中心波长为485nm、550nm、620nm下，提高对出射光线中的中心波长下且20nm以下带宽的光线的透射或反射效果。

15、具体地，所述窄带高通模块包括沿着厚度方向交错地排列并层叠设置的53个三氧化二铝膜层和53个二氧化钛膜层，所述窄带高通模块的总厚度为75.06μm，其中，这些三氧化二铝膜层的单层厚度为6.25nm~20.42μm、层积厚度为44.03μm，这些二氧化钛膜层的单层厚度为2.21nm~8.60μm、层积厚度为31.02μm。此结构下，对中心波长下的光线的透射效果较佳；另外，

16、这些三氧化二铝膜层的单层厚度为6.25、17.09、18.23、25.84、29.1、34.66、36.24、42.09、43.56、45.15、46.08、49.82、53.03、59.53、60、62.45、64.53、68.01、68.19、72.01、73.15、76.29、77.05、78.87、79.24、80.84、80.96、81.7、83.35、83.92、85、86.19、86.31、87.3、88.11、89.75、90.28、92.28、92.6、94.48、94.77、95.69、95.7、96.75、100.62、108.18、132.91、163.58、163.9、3541.07、8151.2、8278.24、和/或20422.81nm；

17、这些二氧化钛膜层的单层厚度为2.21、3.02、10.22、11.25、17.24、25.72、30.03、31.11、34.29、39.25、47.67、52.53、54.09、56.04、59.6、59.98、60.6、60.99、61.25、62.25、63.41、63.94、64.31、64.59、65.93、66.64、68.78、70.02、70.77、71.74、83.89、84.45、90.45、151.44、164.66、181.7、196.36、207.9、219.93、246.63、298.75、346.23、366.07、389.53、458.53、499.77、623、1114.81、1435.48、2761.51、5238.83、5818.9、和/或8596.53nm。

18、具体地，所述窄带高反模块包括沿着厚度方向交错地排列并层叠设置的93个三氧化二铝膜层和92个二氧化钛膜层，所述窄带高反模块的总厚度为25.20μm，其中，这些三氧化二铝膜层的单层厚度为2.47nm~2.63μm、层积厚度为22.06μm，这些二氧化钛膜层的单层厚度为1.89nm~0.25μm、层积厚度为3.14μm。此结构下，对中心波长下的光线的反射效果较佳；另外，

19、这些三氧化二铝膜层的单层厚度为2.47、3.86、9.84、13.65、16.78、21.58、22.68、23.84、25.69、26.65、30.27、32.79、34.89、38.57、42.66、42.84、47.98、49.59、49.84、53.67、55.46、56.64、57.62、58.62、58.94、59.67、67.12、68.27、68.68、69.7、71.73、75.39、76.12、76.89、80.3、83.3、88.7、91.93、100.89、102.49、102.75、107.27、111.54、153.55、155.52、165.84、169.64、171.97、176.09、180.54、183.11、184.43、191.58、192.91、194.47、207.64、208.23、208.43、209.09、219.82、224.86、244.59、274.28、277.62、284.76、287.79、290.84、297.77、325.64、332.92、333.1、336.27、339.59、344.38、354.28、383.91、386.27、406.38、412.55、437.93、442.82、447.37、469.07、475.46、532.18、562.24、581.75、600.25、606.08、708.79、722.71、1150.76、和/或2631.48nm；

20、这些二氧化钛膜层的单层厚度为1.89、2.03、2.14、2.44、2.6、2.82、2.83、3.03、3.35、3.76、4.28、4.31、4.36、4.69、4.79、5.12、5.23、5.39、5.45、6.32、6.35、6.97、7.17、7.64、7.69、7.78、8.27、8.98、9.22、9.34、9.41、9.91、10.32、10.59、11.02、11.02、11.08、11.77、12.04、12.05、12.14、12.4、13.25、13.43、13.45、14.02、14.23、14.41、14.42、14.48、14.73、15、16.04、16.87、17.68、19.46、20.12、20.61、20.91、21.77、21.89、21.98、23.11、24.52、24.54、24.87、25.28、26.16、26.99、27.28、28.15、29.69、42.14、42.74、52.06、60.91、65.89、86.19、86.47、102.95、107.99、116.57、116.88、121.29、122.05、125.8、126.2、128.45、135.23、141.54、222.53、和/或246.29nm。

21、进一步地，所述耦入光栅为透射式光栅，所述衍射光波导装置还包括第一光学镜片，所述第一光学镜片布置于所述光波导片设置有耦入光栅的一侧，所述窄带高通模块设置于所述第一光学镜片的表面。在沿着入射光线的路径上，依次按照窄带高通模块、第一光学镜片、耦入光栅、光波导片的方式进行结构布局，或者依次按照第一光学镜片、窄带高通模块、耦入光栅、光波导片的方式进行结构布局。

22、或者，所述耦入光栅为反射式光栅，所述窄带高通模块设置于所述光波导片背离耦入光栅的表面，或者所述衍射光波导装置还包括第一光学镜片，所述第一光学镜片布置于所述光波导片背离耦入光栅的一侧，所述窄带高通模块设置于所述第一光学镜片的表面。在沿着入射光线的路径上，依次按照窄带高通模块、光波导片、耦入光栅的方式进行结构布局，或者依次按照窄带高通模块、第一光学镜片、光波导片、耦入光栅的方式进行结构布局，或者依次按照第一光学镜片、窄带高通模块、光波导片、耦入光栅的方式进行结构布局。

23、进一步地，所述耦出光栅为透射式光栅，其中若干个窄带高反模块设置于所述光波导片背离耦出光栅的表面，或者所述衍射光波导装置还包括第二光学镜片，所述第二光学镜片布置于所述光波导片背离耦出光栅的一侧，其中若干个窄带高反模块设置于所述第二光学镜片的表面。在背离耦出光线的路径上，依次按照耦出光栅、光波导片、窄带高反模块的方式进行结构布局，或者依次按照耦出光栅、光波导片、第二光学镜片、窄带高反模块的方式进行结构布局，或者依次按照耦出光栅、光波导片、窄带高反模块、第二光学镜片的方式进行结构布局。

24、或者，所述耦出光栅为反射式光栅，所述衍射光波导装置还包括第二光学镜片，所述第二光学镜片布置于所述光波导片设置有耦出光栅的一侧，其中若干个窄带高反模块设置于所述第二光学镜片的表面。在背离耦出光线的路径上，依次按照光波导片、耦出光栅、第二光学镜片、窄带高反模块的方式进行结构布局，或者依次按照光波导片、耦出光栅、窄带高反模块、第二光学镜片的方式进行结构布局。

25、进一步地，所述耦入光栅为透射式光栅，其中若干个窄带高反模块设置于所述光波导片背离耦入光栅的表面，或者所述衍射光波导装置还包括第三光学镜片，所述第三光学镜片布置于所述光波导片背离耦入光栅的一侧，其中若干个窄带高反模块设置于所述第三光学镜片的表面。在背离入射光线的路径上，依次按照耦入光栅、光波导片、窄带高反模块的方式进行结构布局，或者依次按照耦入光栅、光波导片、窄带高反模块、第三光学镜片的方式进行结构布局，或者依次按照耦入光栅、光波导片、第三光学镜片、窄带高反模块的方式进行结构布局。

26、或者，所述耦入光栅为反射式光栅，所述衍射光波导装置还包括第三光学镜片，所述第三光学镜片布置于所述光波导片设置有耦入光栅的一侧，其中若干个窄带高反模块设置于所述第三光学镜片的表面。在背离入射光线的路径上，依次按照光波导片、耦入光栅、窄带高反模块、第三光学镜片的方式进行结构布局，或者依次按照光波导片、耦入光栅、第三光学镜片、窄带高反模块的方式进行结构布局。

27、为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：

28、一种增强现实显示设备，包括显示光机和上述衍射光波导装置。其中，所述窄带高通模块和耦入光栅顺次布置于所述显示光机出射的光线形成的入射光线路径上。

29、通过采用上述技术方案，显示光机可以为lbs、光纤扫描等光谱带宽窄的显示光机、或者为lcos、dlp、micro led等出射光谱较宽的显示光机，其与衍射光波导装置组合得到的增强现实显示设备具有较好的成像质量。

30、综上所述，本实用新型的有益技术效果为：

31、1.本实用新型的衍射光波导装置通过窄带高通模块对入射光线进行窄带滤波，在不损失大部分光线能量的同时实现中心波长附近的光线筛选，并辅以窄带高反模块将耦入光栅和耦出光栅上部分被传输到非入射光线和非人眼方向的光线反射回耦入光栅和耦出光栅，且不影响环境光的透过，具有便于调控光线、提高光线传播效率、满足环境光可视性、提高显示效率的目的；

32、2.本实用新型的增强现实显示设备具有较好的成像质量，适用于衍射光波导装置与各类显示光机之间的组合应用。